沉陷区煤矸石路堤水稳定性的数值模拟研究

2020-03-11张清峰王东权于广云

山西建筑 2020年4期

张清峰王东权于广云杨晴

(1.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116； 2.江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡 214122)

1 概述

煤矸石作为煤矿开采后的废弃物，长年累月地堆积在地表既占用大量耕地还会对生态环境造成破坏[1]。因此，如何综合利用煤矸石，使之变废为宝，正越来越得到人们的重视。研究表明：煤矸石可用在土木建筑材料方面：如用作道路路基填料、路面基层材料掺合料等。但是煤矸石是一种较为特殊的散体材料，稳定性不好，极易受到外界因素的不利影响，造成工程力学特性的改变。用煤矸石填筑的路堤经过动力破碎密实后虽可以达到规范规定的稳定性要求，但是经过长时间的与外界接触，如浸水，其物理力学特性会发生改变，同时由于采动过程中地基土受到扰动，用其填筑的路堤的稳定性会变差。如何保证沉陷区煤矸石路堤的水稳定性是要考虑的一个重要工程问题。

目前，研究路堤边坡稳定性的理论主要有两种：一种是基于饱和土力学理论的极限平衡法；一种是基于非饱和土力学理论的分析方法。文献[2]提出非饱和土的抗剪强度理论，文献[3]最早提出强度折减有限元法的概念。李兆平等[4]认为降雨引起边坡失稳的原因为降雨使土体含水量增加，饱和度增加，基质吸力降低，黏聚力降低，抗剪强度降低。王义川[5]进行了采煤沉陷区煤矸石铁路路堤水稳定性研究。

本文拟采用FLAC3D软件对沉陷区不同饱水时间两种不同地基的公路煤矸石路堤的稳定性进行数值模拟研究。本文的研究可为沉陷区煤矸石路堤的加固设计提供参考，对确保沉陷区浸水煤矸石路堤的稳定性，有一定的工程意义。

2 不同饱水条件下煤矸石路堤稳定性数值模拟研究

2.1 计算模型

依据JTG D20—2017公路路线设计规范，本文数值模拟选择公路等级为二级，设计时速为80 km/h，设计车道数2，路基顶面宽度一般值为12 m。选取煤矸石路堤高12 m，浸水路堤通常采用上陡下缓的折线形边坡，上面6 m边坡坡度为1∶1.5，下面6 m边坡坡度为1∶1.75。所建模型为全路堤，地基土厚度取40 m。采用FLAC3D数值模拟软件建立路堤模型，通过强度折减法计算路堤边坡安全系数。采用Mohr-Coulomb弹塑性模型来模拟煤矸石的本构关系，计算中采用相关联的流动法则[6]。

2.2 计算参数

1)荷载参数。

行车荷载是边坡稳定性分析的主要作用力之一，换算时按荷载的最不利布置条件，取单位长度路段计算，并考虑超载的影响，经计算荷载值为18.0 kPa[7]。

2)煤矸石参数。

根据课题组已有研究成果[5]，利用FLAC3D数值计算时，不同饱水时间的煤矸石参数如表1所示。

表1 不同饱水时间煤矸石参数

3)地基土参数。

模拟两种地基条件，一种是正常地基，其参数如表2所示；一种是含淤泥层的软弱地基，其参数如表3所示。

表2 地基土参数(不含淤泥质黏土层)

表3 地基土参数(含淤泥质黏土层)

正常地基土的体积模量为33.3 MPa，剪切模量为26.0 MPa，淤泥质黏土的体积模量为12.0 MPa，剪切模量为3.0 MPa。

2.3 数值模拟结果分析

正常地基和软弱地基在饱水24 h,48 h的剪应变增量图分别如图1～图4所示。

从图1和图2可以看出，正常地基在不同饱水时间剪应变增量最大值出现在坡脚，在坡脚出现明显的塑性贯通区，即边坡存在潜在滑动面。从图3和图4可以看出，当存在软弱地基时，不同饱水时间塑性贯通区出现在软弱地基上，而不是出现在坡脚位置处，对含有淤泥质黏土层的软弱地基，煤矸石路堤失稳破坏时滑动面出现在软弱地层处。

根据数值模拟结果，不同饱水时间两种不同地基条件的安全系数分别如表4所示。

表4 不同饱水时间两种不同地基条件的安全系数

从表4可以看出，对正常和含有淤泥质黏土层的软弱地基，随着煤矸石填料饱水时间的增加，路堤安全系数逐渐降低，说明路堤稳定性逐渐变差。煤矸石填料饱水时间相同，在边坡坡度、高度、行车荷载相同的条件下，软弱地基的安全系数比正常地基的有明显下降。饱水时间0 h,24 h,48 h,72 h，软弱地基的安全系数分别为正常地基的0.54倍,0.60倍,0.61倍,0.63倍。